基于STM32单片机的动车集便控制器设计

刘厚文，胡易轩

（1.山东中车华腾环保科技有限公司，山东 济南250022；2.中车长春轨道客车股份有限公司，吉林 长春130062）

铁路真空集便系统是保证乘车旅客旅行如厕时不可缺少的重要设备，整个给水卫生系统的核心为集便系统控制器，它不但采集净水箱、污物箱液位、加热等状态信号，同时检测车上便器系统各个传感器信号，驱动各电磁阀、指示灯等部件的工作，实现给水卫生系统的控制。控制程序除了满足最基本的功能需求，还具有故障自诊断、数据监控程序，提高系统的可靠性和可维护性[1]。

本文硬件上是基于Stm32芯片为集便控制器的MCU控制核心[2]，通过光耦、继电器实现对输入、输出的干扰隔离，利用液晶屏实时系统状态的监控；软件上实现系统的基本冲洗循环功能，针对故障的发生设置自诊断逻辑程序，系统的各个状态通过MCU与液晶屏的数据传输，以最直观的方式展现给用户。

1 系统组成及原理

该控制器的硬件电路主要分为：主控最小系统、输入接口、输出接口、通讯接口、TCMS接口和本地监控液晶屏等部分。

动车组列车上供集便系统的电源为110 VDC，而集便系统的检测部件和驱动电磁阀等部件所需电压为24 VDC，因此，在控制器的设计中，考虑驱动电磁阀数量较多的因素，选用功率150 W，110 VDC转24 VDC变压模块。而电源模块输出的电压不能直接供给STM32控制芯片，所以在输出的24 VDC后需要将其再进行降压、滤波的处理，最后获得稳定的3.3 VDC用于MCU的供电。选用的液晶屏及其驱动的供电电压为24 V，通过电源模块转换的24 V电压可直接供液晶屏驱动。在输入检测电路中，为避免主回路中的强电干扰控制回路中的弱电信号，在其电路中加入光耦隔离，实现电-光-电的转化，减少外界对系统的干扰，提高单片机对输入信号的可靠采集。输出的驱动电路采用三极管驱动继电器的方式实现对外设电磁阀的控制。硬件的接口框图，如图1所示

图1 硬件结构框图

2 系统硬件设计

2.1 MCU最小系统

本控制器采用STM32F103ZET6芯片为MCU，由于该控制芯片内的配置强大，包括64KB SRAM、512KB FLASH、多个串口和CAN资源，其112个通用IO口是本文选择该芯片的关键，由于动车集便系统的控制输入和输出点位较多，不但需要采集各个开关、传感器等输入信号，还要控制各个电磁阀等驱动元件的动作，而STM32F103ZET6芯片充分满足系统多输入多输出的需求。

2.2 输入电路

系统为32路数字量DI输入，采用TLP2804光耦芯片，通过光电隔离，消除外界输入的干扰，一块TLP2804光耦包括四路输入和四路输出，根据本系统需求，使用8块该芯片，其中接入控制器的输入信号包括净水箱液位、污物箱液位、污物箱加热状态、冲洗按钮、压力开关、盆满液位等。输入传感器均以0V为公共端，当有液位或开关闭合，公共端的0V信号通过输入电路的IO口经过光耦隔离后，将信号传送到MCU的DI端。输入检测电路。

2.3 输出电路

系统为32路DO输出，系统输出采用NPN三极管驱动HF46继电器，为减少线圈断电所产生的反向感应电压的影响，在继电器线圈处加入BAV70二极管用作续流。MCU处理后的数据通过DO口输出，通过三极管的放大，驱动继电器触点的开启和关闭，进而驱动排泄电磁阀、冲洗电磁阀、加压电磁阀、上水电磁阀、指示灯等元器件的工作和停止，同时从32路继电器中取出八个干触点，作为TCMS的开关量输出信号。

2.4 其它电路

除上述控制MCU的选择和输入、输出电路外，其它的变压、滤波和通讯等电路均为常规的电路设计。串口选择MAX3232芯片作为通讯，变压芯片选用VRB2405YMD-10WR3和ASM1117.在液晶屏的选择上，具有至少640×480的分辨率和数据存储功能，通过Modbus通讯协议完成MCU与液晶屏驱动控制器的数据传输，实现液晶屏实时显示的效果。

3 系统软件设计

本系统的软件设计包括主控MCU的程序设计和液晶屏显示的程序设计，且二者均通过C语言编程实现。对于软件的设计要明确系统的控制要求，本文的软件设计针对的系统为推拉式集便系统[3]。系统程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图

3.1 主程序

系统的程序主要完成集便系统的控制，当系统外界条件满足，即风压、水源充足时，系统上电后，控制器便执行内部程序。系统程序包括初始化程序、主程序和子程序部分，子程序包括自检程序、状态检测程序、便器控制程序、灰水排空程序、故障自检程序、防冻排空程序、液晶屏显示程序等。系统上电后，通过自检程序判断系统各个部件是否正常，通过状态检测程序，检测水箱是否有水，污物箱是否已满，系统风压是否充足等来判断系统外界条件状况。在系统正常的情况下，系统可按照程序流程执行。

3.2 故障自检程序

当系统进入待机状态后，程序时刻检测系统的各部件功能是否正常，在执行完各动作后，程序会对执行动作过程中的各个部件进行检测，若检测异常，则程序内部认为可能有故障出现，之后系统会进行故障自检程序，自检程序执行后若故障未消除，则停止系统工作。

3.3 故障显示程序

液晶屏通过与MCU的数据交换，通过液晶屏内部程序对数据的分析和处理后，再执行液晶屏显示程序，时刻显示系统的当前状态及故障信息和故障发生的时间，当系统掉电后，曾经显示过的故障记录不会丢失，通过数据下载接口可将历史信息进行下载。通过对保存数据的处理和分析，可以识别系统的高频率故障，针对高频故障可以对其结果或者控制程序进行改进，逐步提高系统的可靠性。

3.4 软件仿真

由于篇幅所限，下面只针对冲洗循环流程进行计算机仿真，当系统存在真空信号时，按压冲洗按钮，首先冲水阀打开1 s后关闭，实现高压水对便器的冲洗，冲洗后排泄阀打开2 s后关闭，污物在真空作用下被排空，之后冲水阀再打开0.5 s后关闭，延时三秒钟后，上水电磁阀打开，完成水罐上水，以备下一次冲洗循环使用。仿真结果如图3所示。

图3 软件仿真图

4 结束语

本文针对动车集便系统检测传感器和驱动电磁阀等元器件数量大的特点，选用STM32F103ZET6芯片作为系统控制器的MCU，阐述其功能的强大和资源的丰富。利用芯片的功能及外围输入、输出电路，通过内部程序的运算和逻辑处理，实现对系统各信息的采集和功能部件的驱动，在满足动车组集便系统的基本功能需求的前提下，故障自检程序更加提高了系统的可靠性；液晶屏显示功能更提高了系统的可维护性。